海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

伍智林，邹大鹏,2,3，孙晗，刘伟,3，肖体兵

(1.广东工业大学，机电工程学院，广东广州 510006；2.广东工业大学，省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东广州 510006；3.中国科学院声学研究所，声场声信息国家重点实验室，北京 100190)

0 引 言

海底沉积物的声学特性在水声学、地声学、沉积声学中都有着重要的应用。其中声学参数包括传播速度和能量衰减等，是研究海底沉积物物理特性的重要参数[1-4]，也是应用不同声学测量方法获取海底声波传播的特性参数。

采集海底沉积物岩芯样品在实验室测量声速和声衰减是最常用的方法。Hamilton 等[5]研究了海底沉积物物理参数与声学参数之间的关系，给出了一系列经验回归方程。Baldwin等[6]基于压缩波探针系统测量了海底沉积物声速和衰减特性。Zhou等[7]研制了一种小型地声物理模型试验系统，分析了温度压力对海底沉积物声学特性的影响。阚光明等[8]采用透射法在实验室测量了海底沉积物的声速和声衰减系数。卢博等[9]通过多次对海南岛东南外海海底沉积层取样，分析了海底沉积物特征及其声学物理性质。孟祥梅等[10]测量并研究了黄海海底沉积物，得出其物理力学性能、温度以及换能器的频率会影响海底沉积物的压缩波速和剪切波速。邹大鹏等[11]提出了应用同轴差距测量法测量海底沉积物的声速和声衰减系数。

以上实验室测量通常获得圆柱状海底沉积物岩芯样品后，利用水平轴向测量法，即在样品两个端面放置声学换能器，基于发射换能器发出声波信号，穿过海底沉积物，再由接收换能器接收声波信号，通过声波的传播距离、传播时间差和传播衰减来计算平均声速和声衰减系数。这种方法通常将海底沉积物样品水平放置，与海底沉积物在海底实际存在和采集过程的竖直状态不同，会发生表层软质海底沉积物的流淌现象，并且水平放置样品，只能获得测量样品段内的平均声学特性，无法获得海底沉积物的分层声学特性，并且测得的声衰减系数存在较大误差。

相对于水平轴向测量法，横向测量法在样品管管身两侧安放换能器测量海底沉积物，实现竖直样品的横向测量和分层测量。Richardson[12]使用两个保持恒定距离并与样品管外部接触的油馕换能器，实现了海底沉积物的横向测量技术，其中油馕充当换能器和样品的耦合连接。Sun等[13]基于横向测量研究开发了一套水耦合实验室测量系统，准确测量了黏性淤泥质海底沉积物岩芯样品的声速和衰减。Wang 等[14]在水耦合实验测量系统基础上，研究了不同大小粒度的海底沉积物在27～247 kHz 频率范围内的声速和衰减，提出了散射会影响海底沉积物的衰减随频率的变化。

横向测量法提出了一种有效分层的测量方法，但以上研究缺乏对声学换能器与样品的耦合状态等对实验测量精度造成的影响以及测量过程的标定等研究。因此，本文研发了海底沉积物岩芯横向声学测量系统，以水作为测量对象研究系统的标定，并对海底沉积物岩芯样品进行声学特性测量。

1 横向声学测量原理

1.1 测量系统组成

横向声学测量系统包括声学分层测量装置、测量水槽、两个平面声学换能器(发射和接收换能器)、多功能物理声学参数测量仪、上位机，系统示意图如图1所示。声学分层测量装置置于充满水的测量水槽中，水可以提高换能器与样品管管壁的耦合度。上位机软件控制多功能物理声学参数测量仪激发发射换能器，通过水的耦合传播，声波信号通过样品管壁和海底沉积物岩芯样品，并由接收换能器接收信号。接收的声波电压信号在上位机软件程序以波形图呈现，并且可以保存声波数据文件，用于后期进行数据处理和分析。

图1 海底沉积物岩芯横向声学测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of crosswise acoustic measurement system of marine sediment cores

声学分层测量装置包括海底沉积物岩芯样品、声学换能器夹紧机构、样品夹紧机构、升降丝杠以及手轮，如图2所示。该装置的主要功能是通过转动手轮，上下移动声学换能器来测量海底沉积物岩芯样品不同位置的声学特性，并且保证测量过程中发射换能器和接收换能器的间距保持不变。样品垂直放置装夹在测量装置上，可有效保留样品采集时原有的竖直状态，避免海底沉积物的流淌，也与海底沉积物原位存在状态一致。声学换能器可通过换能器夹紧机构夹持在升降导轨上，转动手轮通过升降丝杠实现发射和接收换能器的升降，因此该测量平台可以沿着测量海底沉积物岩芯样品的竖直方向进行横向(即样品径向)分层测量。

图2 声学分层测量装置主要组成Fig.2 The main components of the acoustic layered measurement device

由于海底沉积物岩芯样品采集时需要采用取样管盛装，所以测量过程中需对测量系统进行标定，消除管壁结构对海底沉积物测量的影响。

1.2 测量原理

横向声学测量技术从与管壁是否接触可以分为：(1)隔水耦合测量法，如Wang 等[14]的测量系统，测量原理如图3(a)所示；(2)管壁接触测量法，如Richardson[12]的测量系统，测量原理如图3(b)所示。两种测量方法的原理基本一致，都是以测量样品管中水的传播特性作为参照，通过测量样品管中海底沉积物传播特性，计算声波传播走时差和声传播能量比等来获得海底沉积物的声学特性。因此，测量过程分为：(1)水样品(纯净水)的标定测量，获得系统电声走时和声传播初始能量；(2)对海底沉积物岩芯样品进行测量，得到声速和声衰减系数。

图3 横向声学测量技术原理图Fig.3 Principle diagram of crossuise acoustic measurement

测量过程中采用的声学换能器结构由外壳、阻抗匹配层、压电陶瓷、背衬等组成。声波由发射换能器传播到接收换能器，要通过阻抗匹配层、背衬、外壳等介质。声波在这些介质传播时所产生的时间通常被看作是声学换能器的电子延时。

参考换能器本身的结构特性，把样品管壁、换能器和管壁之间的耦合剂作为换能器的扩展部分，形成等效换能器。将图3中黑粗实线部分视作等效换能器，其中隔水耦合测量法的等效换能器包括原声学换能器、水和管壁；管壁接触测量法的等效换能器包括原声学换能器和管壁。等效换能器声延时是除被测对象传播路径之外的系统电声走时，等效换能器声传播初始能量为声波透过水样品后的接收信号能量，主要表征声波传播路径中，由非被测对象衰减引起的等效换能器自身衰减和扩散损失后剩余的初始能量，以接收换能器的接收电压表示。

水的声速不受测量频率影响，即无频散性，但受温度影响，满足关系[15]：

式中：T为水的温度，单位℃。

水的声衰减系数与频率的关系为[16]

式中：αw为水的声衰减系数(dB·m-1)；f为测量频率，单位为kHz。当频率变化范围为1～100 kHz时，水的声衰减系数为2.17×10-7～2.17×10-3dB·m-1，水的声衰减系数非常小、且受频率影响较小，与声波传播时的扩散衰减和海底沉积物的中的声衰减相比，可以忽略。而海底沉积物声速具有频散性，声衰减系数与频率有关，因此可以采用水作为计算海底沉积物声学特性标准的标定介质，标定得到整个测量系统传播过程等效换能器声延时和声传播的初始能量。

以水作为标定介质，等效换能器声延时t0为

式中：tw为声波在水中的传播时间，单位为s；d为样品管内径，单位为m；cw为水声速，单位为m·s-1。

以水作为标定介质，等效换能器声传播初始能量ew除包括等效换能器自身损失后的能量外，还包括声波透过水样品损失后的初始能量，采用接收电压表示，单位为V。以上分析表明，基于式(2)得到的水的自身声衰减可以忽略，因此ew主要是声波传播路径中存在的扩散损失。

标定后，应用于海底沉积物测量样品时，声速和声衰减系数[17]计算式为

式中：cp为海底沉积物中的声速，单位为m·s-1；tp为测量海底沉积物时的声波传播时间，单位为s；αp为海底沉积物的声衰减系数，单位为dB·m-1；es为声波透过海底沉积物样品后接收换能器的接收电压，单位为V。基于式(4)和式(5)可以消除等效换能器测量系统中的系统声延时、系统初始能量损失的影响，而且系统特性与测量频率无关，可以用于测量海底沉积物的声学特性。

2 水中标定测量

由式(3)可知，水中的声速cw是计算等效换能器声延时t0的关键。因为海底沉积物采用PVC管盛装，所以水中标定时也采用和海底沉积物一样的PVC 管。由于PVC 管的体积弹性模量K为3.14～3.92 GPa，密度ρ为1.35～1.40 g·cm-3，导致使用的PVC 管声速不是恒定值，因此声波穿过PVC 管，会影响到等效换能器的系统声延时。为避免不同海底沉积物样品的PVC 管声速影响，采取差距法消除管壁影响。差距法是利用图3中的隔水耦合测量法和管壁接触测量法两者的声波传播距离差和时间差的比值计算水声速：

式中：D为隔水耦合法的换能器间距，单位为m；δ为PVC管的厚度，单位为m；Δt为隔水耦合法和管壁接触法声波传播时间差，单位为s。

2.1 换能器性能测量

在实际测量中，不同频率的声学换能器结构存在差异，为减少实验时等效换能器性能差异的影响，将不同频率下测得的水中的声速与标准值进行对比，可以比较各个换能器的测量性能以及等效换能器的声延时。测量过程中，水温为28.7℃，由式(2)计算水中声速的标准值为1 506.72 m·s-1，所测样品管为标称直径90 mm 的PVC 管(实测管外径为90.22 mm，内径为81.58 mm)，管中所盛样品为水，测量分别采用33、80和100 kHz频率的声学换能器组，测量声波波形如图4所示。测量隔水耦合法下声学换能器组间距为142.02 mm，对应差距法的声传播距离差为51.80 mm。采用式(6)计算三种频率换能器测得的水中声速分别为1 507.57±6.59 m·s-1、1 506.69±3.28 m·s-1以及1 510.20±6.28 m·s-1，平均值与水中声速标准值都比较接近，表明测量方法有效。其中，80 kHz声学换能器所测的水中声速更接近标准的水中声速，并且标准偏差较小，说明其测量性能相对较好，后续采用80 kHz 的声学换能器组进行声学测量标定。

图4 隔水耦合法和管壁接触法在不同频率测量90 mm PVC管的波形Fig.4 Waveforms shown in measuring 90 mm PVC tube by water-proof coupling method and contacting pipe wall method at different frequencies

2.2 管径影响性测量

由式(3)可知，实际测量中，PVC 管的直径直接影响标定的等效换能器的声延时。因此将三种PVC管测量的水中声速和标准值作对比，选取测量误差影响较小的PVC管进行测量。

基于选取频率为80 kHz的声学换能器组，测量标称直径分别为75、90、110 mm的1、2、3号管(实测三种管外径分别为75.66、90.22、110.30 mm，内径分别为68.94、81.58、102.06 mm)，管中所盛样品为水。隔水耦合测量法的声学换能器组间距为142.02 mm，声传播距离差分别为66.53、51.80、31.72 mm，测量声波波形如图5所示。采用式(6)计算三种管中的水中的声速，分别为1 508.89±3.46、1 506.69±3.28 和1 503.32±7.77 m·s-1，平均值与水中声速的标准值都比较接近，表明测量方法有效。其中，采用2号管测量水中声速平均值更加接近标准水中声速，并且测量标准偏差较小，表明该批PVC管中用2号管测量随机误差相对较小。后续测量中，使用频率为80 kHz的声学换能器和标称直径90 mm PVC管进行标定测量，研究隔水耦合法和管壁接触法的标定差异。

图5 三种尺寸PVC管在频率为80 Hz时的波形Fig.5 Waveforms shown in measuring three sizes of PVC pipes at 80 kHz

2.3 两种方法的标定对比

基于等效换能器，两种方法都是测量管中的水，但是声波传播时间不同。这是因为两种方法的等效换能器声延时存在差异。采用频率为80 kHz的声学换能器和标称直径为90 mm 的PVC 管测量标定的水中声速的平均值为1 506.69 m·s-1，代入式(3)可计算出隔水耦合测量法和管壁接触测量法对应的等效声延时t0a和t0b分别为45.88±0.08 μs 和11.50±0.10 μs。同时根据数据波形得到两种方法计算得到的声传播初始能量ewa和ewb，分别为0.86±0.03 V和1.94±0.01 V。测量结果如表1所示。

表1 隔水耦合法和管壁接触法测量的等效换能器声延时和声传播初始能量Table 1 The sound delays of equivalent transducer and initial energies of sound propagation measured by water-proof coupling method and contacting pipe wall method

隔水耦合法相对于管壁接触法声传播距离长，声能量扩散损失多，因此等效换能器声延时大，声传播初始能量小。但在测量原理和操作上，隔水耦合法不受到声学换能器和管壁接触状态以及管壁尺寸变化的影响，所以操作更方便，影响因素更少。因此，优选隔水耦合法应用于海底沉积物的声学特性测量。

3 海底沉积物测量应用

海底沉积物样品取自南海某海域，样品采用标称直径90 mm、长度500 mm的PVC管盛装。样品为黏土质粉砂，砂、粉砂、黏土的百分含量分别为1.41%、64.82%、33.77%。样品的声学测量结果如图6所示，实际测量时中心频率为73.31 kHz。

图6 隔水耦合法测量海底沉积物和水的波形与频谱Fig.6 Waveforms and frequency spectrums shown in measuring marine sediments and water by water-proof coupling method

基于式(4)，代入隔水耦合法的等效换能器声延时t0a的平均值45.88 μs，计算海底沉积物的声速为1 577.19±4.17 m·s-1；基于式(5)，代入隔水耦合法的声传播初始能量ewa的平均值0.86 V，计算海底沉积物声衰减系数为8.15±0.75 dB·m-1。海底沉积物的声学特性计算结果符合黏土质粉砂的声学特性[18]。

4 结 论

本文研究了海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定，得到如下结论：

(1) 以水作为声学换能器和海底沉积物岩芯样品管之间的传播介质，可以提高海底沉积物岩芯测量声波传播的耦合性；

(2) 以水作为标准介质，分别在33 kHz、80 kHz和100 kHz三种测量频率以及75 mm、90 mm、110 mm三种PVC管标称管径下，得到的水中声速与标准计算的水中声速具有一致性，表明了海底沉积物岩芯横向测量技术的可行性；

(3) 基于等效换能器可以解释横向声学测量技术的原理，通过水中标定实验可以得出等效换能器的声延时和声传播初始能量，将其应用于海底沉积物的测量中，可以同时得到声速和声衰减；

(4) 隔水耦合法相对于管壁接触法，对应的等效换能器声延时较大，声传播初始能量较小，但可以固定换能器的相对距离，中间采用水耦合，不受管壁直径变化和接触状态的影响，测量更简便、误差更小。

当前，海底沉积物岩芯横向声学测量技术属于新的测量技术，可以实现对样品无扰动和无损害状态下的声速和声衰减系数同时测量。但在具体应用时，必须进行水中标定得出等效换能器声延时和声传播初始能量，才能够准确测量计算得出海底沉积物中的声速和声衰减系数。

致谢感谢自然资源部第一海洋研究所王景强副研究员、阚光明研究员给予的指导与帮助。